Química
São as biomoléculas mais abundantes. Sua oxidação é a principal fonte de
energia para a maioria das células não fotossintéticas. Podem agir como
elementos estruturais, lubrificantes em articulações, auxiliam o reconhecimento
e a adesão intercelular, formam glicoconjugados com proteínas e lipídeos.
Definição
Carboidratos são poliidroxialdeídos ou poliidroxicetonas; ou
substâncias que geram esses compostos quando hidrolisadas.
Classificação
São
divididos em três classes principais: monossacarídeos, dissacarídeos e
polissacarídeos.
Monossacarídeos
Figura
1.
Aldoses e Cetoses. (A) D-Aldoses e (B) D-Cetoses com três a seis carbonos. Os
carbonos em vermelho indicam centro quiral (Fonte: Nelson, Cox
e Lehninger 2006).
Figura
2. D-Glicose
e dois de seus epímeros, diferindo na configuração em um centro quiral (Fonte:
Nelson, Cox
e Lehninger 2006).
Em solução aquosa as aldotetroses e todos os
monossacarídeos com cinco ou mais carbonos ocorrem em estruturas cíclicas. O
grupo carbonil se liga covalentemente ao oxigênio de um grupo hidroxil dando
origem aos hemiacetais e hemicetais. O carbono (do grupo carbonil) envolvido
nessa ligação, agora é denominado anomérico. Podendo ocorrer nas formas α e β
(Figura 3).
Figura 3. Formação das duas
formas cíclicas da D-Glicose. Reação
entre o C1 (grupo aldeido) com o grupo hidroxil do C5, podendo formar dois estereoisômeros
alfa e beta (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger
2006).
Alguns monossacarídeos são capazes de reduzir certos íons, por conta dessa
capacidade são denominados açucares redutores. Podem ser oxidados por alguns
agentes oxidantes como o íon férrico (Fe3+) e cúprico (Cu2+).
Essa característica permite estimar a concentração dos açúcares em solução (Figura
4).
Figura 4. Açucares como agentes
redutores. Em estrutura cíclica a glicose não pode ser oxidada, contudo, quando
em cadeia aberta (exposição do grupo carbonil) adquire sua característica redutora
(Fonte: Nelson, Cox e Lehninger
2006).
Dissacarídeos
Dissacarídeos consistem em dois monossacarídeos unidos
covalentemente por ligação D-glicosídica (Figura 5). Alguns Dissacarídeos e
polissacarídeos possuem extremidades redutoras, ou seja, extremidade com
carbono anomérico livre (ex.: redutor - maltase; ex.: não redutor - sacarose e
trealose). Tal fato se deve a possibilidade do retorno a forma linear. Essa característica permite
que o grupo cabonil reaja com íons.
Figura 5. Formação da maltose.
Os dissacarídeos são formados por dois monossacarídeos em ligação O-glicosídica
beta ou alfa. A formação da ligação ocorre por meio da condensação do grupo
hidroxil (álcool) com o grupo hemeacetal ou hemecetal (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger 2006).
Oligossacarídeos
e Polissacarídeos
Oligossacarídeos
são cadeias curtas formadas por monossacarídeos. Já os polissacarídeos contêm
mais de 20 unidades de açúcares. A maioria dos carboidratos encontrados na
natureza ocorrem como polissacarídeos. Diferem em suas unidades ao longo da cadeia, no seu comprimento, tipos de ligação que unem as unidades e
grau de ramificação. Podem ser classificados como homopolissacarídeos (ex.:
glicogênio e amido) e heteropolissacarídeos (peptioglicano). Servem como formas
de armazenamento, elementos estruturais, suporte extracelular. Não possuem peso
molecular definido.
Polissacarídeos e oligossacarídeos são importantes no transporte de informação,
comunicação entre células, sinalização de proteínas de transporte e degradação.
Podem realizar tais funções em conjunto com proteínas ou lipídeos, dando origem
aos glicoconjugados.
Os
mais importantes polissacarídeos de reserva são o amido (vegetais) e glicogênio
(animais). Ambos são extremamente hidratados por possuírem muitos grupos OH
expostos. O amido é formado por dois tipos de polímeros de glicose, amilose e
amilopectina. O primeiro possui cadeias longas, não ramificadas com resíduos de
D-glicose conectados por ligação α1 4. A
amilopectina é altamente ramificada, em cadeia os resíduos estão conectados por
α1 4 e α1 6 nos pontos de ramificação ( a cada 24 ou 30 resíduos).
O
glicogênio é um polímero formado por subunidades de glicose ligadas por
ligações α 1 4 e alfa 1 6 nas ramificações (de 8 a 12 resíduos). É
mais compacto que o amido. Encontra-se em abundancia no fígado e também está presente
no músculo esquelético.
A
celulose é um homopolissacarídeo com funções estruturais. É uma substância fibrosa, resistente e
insolúvel em água, encontrada na parede celular de plantas. Os monômeros de
glicose estão conectados por ligações β 1
4, dando propriedades estruturais e físicas diferentes da amilose.
Glicoconjugados
Os
glicoconjugados podem ser divididos em proteoglicanos, glicoproteínas e
glicolípideos.
Proteoglicanos:
são cadeias de glicosaminoglicanos sulfatados covalentemente unidas a proteínas
de membrana ou proteínas excretadas.
Glicoproteínas:
são proteínas que possuem um ou alguns oligossacarídeos de complexidade variada. A porção açúcar da molécula é rica em informação e serve como local extremamente específico para a ligação a lectinas.
Glicolipídeos: são
lipídeos de membrana que possuem como grupo de cabeça um oligossacarídeo. Auxiliam formação de mielina e transdução do sinal celular.
Metabolismo
Glicólise
A
glicose ocupa posição central no metabolismo de plantas, animais e muitos
microrganismos. Segue quatro destinos principais em animais e vegetais:
estocagem (glicogênio, amido, sacarose), pode servir para fins estruturais
(fazer parte da matriz extracelular, parede celular), síntese de ácido
nucleicos (via das pentoses-fosfato) e piruvato (geração de energia).
A
glicólise foi a primeira via metabólica elucidada e provavelmente é a melhor
entendida. Essa via ocorre no citosol e consiste em uma molécula de glicose
sendo degradada em uma séria de reações catalisadas por enzimas, gerando duas
moléculas de piruvato. Parte da energia é conservada em ATP e NADH. É uma via
central do catabolismo da glicose. Em algumas células e tecidos, representa a
única fonte de energia (ex.: eritrócitos, medula renal).
A
glicólise ocorre em 10 etapas e pode ser dividida em duas fases (Figura 6). As
cinco primeiras etapas constituem a fase preparatória. Nessa fase ocorre o gasto de duas moléculas de ATP. As outras cinco etapas constituem a fase de compensação
ou pagamento, ocorrendo ganho energético na forma de ATP e NADH (posteriormente
usado na cadeia transportadora de elétrons). Ao final da glicólise ocorre a
produção de duas moléculas de piruvato. Essas moléculas podem seguir três vias
catabólicas principais: transformam-se em Acetil-Coa para seguir oxidação pelo
ciclo do acido cítrico, fermentação alcoólica ou fermentação láctica.
Figura 6. As duas fases da
Glicólise. (a) fase de preparação e (b) fase de pagamento, ambas possuem cinco
etapas (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger
2006).
Equação geral da glicólise:
Glicose
+ 2 NAD+ +2 ADP + 2 Pi à 2
Piruvato + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP
+ 2 H2O
Muitos
carboidratos encontram seus destinos catabólicos na glicólise após
transformação em intermediários glicolíticos (glicogênio, amido, maltose,
lactose, trealose e sacarose, etc).
A regulação da
glicólise é feita para manter níveis de ATP praticamente constantes. Ocorre
através da interação complexa entre o consumo de ATP, regeneração de NADH e
regulação alostérica de algumas enzimas. Em uma escala de tempo maior é feita por
alguns hormônios (glucagon, adrenalina e insulina) e variações da expressão de
genes de várias enzimas glicolíticas. Regulações anormais de velocidade da
glicólise são vistas no câncer, pois tumores possuem velocidades de glicólise
maiores do que tecidos normais mesmo na presença de O2 (Efeito
Warburg, base para vários métodos de detecção do câncer).
Gliconeogênese
Figura 7. Reações opostas da Gliconeogênese
(vermelho) e glicólise (azul) (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger 2006).
Intermediários do ciclo
do ácido cítrico e alguns aminoácidos são gliconeogênicos, ou seja, podem ser prontamente
transformados em glicose. Em mamíferos não ocorre a conversão líquida de ácidos
graxos em glicose, pois seu catabolismo gera Acetil-CoA, sendo usado
diretamente no ciclo do acido cítrico.
O ciclo do ácido cítrico é um pivô do metabolismo com vias catabólicas chegando e vias anabólicas partindo. Ocorre nas mitocôndrias e é constituído de oito etapas, sendo que quatro delas são oxidações (Figura 9). A energia das oxidações é conservada eficientemente na forma de coenzimas reduzidas: FADH2 e NADH. Antes de entrarem no ciclo, esqueletos carbônicos de açúcar, ácidos graxos e aminoácidos são convertidos ao grupo Acetil-CoA (alguns aminoácidos entram no ciclo na forma de algum intermediário do mesmo).
Figura 9. Reações do ciclo do acido cítrico (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger 2006).
Figura 10. Ciclo do acido cítrico no anabolismo (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger 2006).
Por conta de sua importância o ciclo é cuidadosamente regulado em coordenação com outras vias, garantindo a produção de intermediários nas taxas necessárias. O ciclo do ácido cítrico é regulado principalmente nas três etapas exergônicas. Três fatores controlam a velocidade de fluxo no ciclo: disponibilidade de substrato, inibição pelos produtos acumulados e inibição alostérica por retroalimentação de enzimas das etapas iniciais do ciclo (Citrato-sintase, Isocitrato-desidrogenase e α-Cetoglutarato-desidrogenase).
Plantas e alguns
microrganismos conseguem converter ácidos graxos a carboidratos. Fazem isso através
do ciclo do glioxilato. Em plantas o ciclo ocorre nos glioxissomos. Nessa via o
acetato pode ser tanto um combustível rico em energia, assim como fonte de
fosfoenolpiruvato (entra na gliconeogênese).
Figura 11. Ciclo do acido do glioxilato (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger 2006).
O ciclo do glioxilato está interligado com o ciclo do acido cítrico por dividir alguns intermediários (succinato, oxoloacetato e isocitrato), ocorrendo constante intercambio de metabolitos. Por conta dessa característica devem ser regulados de forma coordenada. Isso ocorre por meio da regulação de enzimas-chave (Isocitrato desidrogenase, Isocitrato liase), baixas concetrações de AMP e ADP, intermediários da glicólise e ciclo do ácido cítrico.
Texto Base:
É
um processo relativamente dispendioso. O alto custo energético é necessário
para assegurar a irreversibilidade da gliconeogênese (assim com a glicólise).
Possui equação geral:
2
Piruvato + 4ATP + 2NADH + 2H+ + 4H2O à Glicose + 4 ADP+ +
2GDP + 6Pi + 2NAD+
Via
das pentoses fosfato
Outro destino catabólico da glicose é a oxidação da
glicose-6-fosfato a Ribose-5-fosfato. A via das pentoses fostato ocorre no
citosol. Ela divide varias enzimas com a glicólise e gliconeogênese, ou seja,
são vias conectadas. Seu produto final pode ser utilizado para a produção de
RNA, DNA e Coenzimas (Figura 8). Em tecidos onde ocorre a síntese de elevadas
quantidades de ácidos graxos (ex: fígado, tecido adiposo, glândulas mamárias
durante a lactação) e síntese muito ativa de colesterol ou
hormônios esteroides, o produto essencial da via das
pentoses-fosfato não é a pentose e sim os doadores de elétrons
NADPH, necessários para as reações de redução na biossíntese
dessas moléculas.
Figura 8. Esquema
geral da via das pentoses fosfato (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger 2006).
A entrada da glicose-6-fosfato na glicólise ou via das pentoses
fosfato depende das necessidades momentâneas da célula e concentração de NADP+
no citosol. Aumentos na concentração de NADP+ estimulam
alostericamente enzimas especificas, aumentando o fluxo de glicose para a via
das pentoses fosfato. Em concentrações baixas de NADP+ a glicose é
direcionada para alimentação da glicólise.
Ciclo
do acido cítrico
O ciclo do ácido cítrico é um pivô do metabolismo com vias catabólicas chegando e vias anabólicas partindo. Ocorre nas mitocôndrias e é constituído de oito etapas, sendo que quatro delas são oxidações (Figura 9). A energia das oxidações é conservada eficientemente na forma de coenzimas reduzidas: FADH2 e NADH. Antes de entrarem no ciclo, esqueletos carbônicos de açúcar, ácidos graxos e aminoácidos são convertidos ao grupo Acetil-CoA (alguns aminoácidos entram no ciclo na forma de algum intermediário do mesmo).
Figura 9. Reações do ciclo do acido cítrico (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger 2006).
É
um ciclo fundamentalmente gerador de energia. Desde a glicólise, ciclo do ácido
cítrico e cadeia transportadoras de elétrons são produzidos cerca de 30 à 32
ATPs. Contudo, intermediários do ciclo servem como precursores em diferentes
vias de biossíntese. Por exemplo, α-cetoglutarato e oxaloacetato podem ser
percursores de aspartato de glutamato, estes por sua vez, podem ser utilizados
para a síntese de outros aminoácidos e nucleotídeos. Alguns microrganismos
utilizam o ciclo em uma forma incompleta para produção de precursores para
biossíntese de aminoácidos.
Figura 10. Ciclo do acido cítrico no anabolismo (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger 2006).
Por conta de sua importância o ciclo é cuidadosamente regulado em coordenação com outras vias, garantindo a produção de intermediários nas taxas necessárias. O ciclo do ácido cítrico é regulado principalmente nas três etapas exergônicas. Três fatores controlam a velocidade de fluxo no ciclo: disponibilidade de substrato, inibição pelos produtos acumulados e inibição alostérica por retroalimentação de enzimas das etapas iniciais do ciclo (Citrato-sintase, Isocitrato-desidrogenase e α-Cetoglutarato-desidrogenase).
Ciclo
do glioxilato
Figura 11. Ciclo do acido do glioxilato (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger 2006).
O ciclo do glioxilato está interligado com o ciclo do acido cítrico por dividir alguns intermediários (succinato, oxoloacetato e isocitrato), ocorrendo constante intercambio de metabolitos. Por conta dessa característica devem ser regulados de forma coordenada. Isso ocorre por meio da regulação de enzimas-chave (Isocitrato desidrogenase, Isocitrato liase), baixas concetrações de AMP e ADP, intermediários da glicólise e ciclo do ácido cítrico.
Cadeia
transportadora de elétrons
A fosforilação oxidativa é a culminação do metabolismo
produtor de energia em organismos aeróbios. Esse processo ocorre nas
mitocôndrias. Envolve a redução de O2 a
H2O, sendo os elétrons doados por NADH e FADH2. A teoria
quimiosmótica é a base para o entendimento atual sobre a síntese de ATP. No
modelo quimiosmótico os elétrons passam do NADH e de outros extratos oxidáveis
através de uma cadeia carreadora assimetricamente arranjada na membrana
plasmática interna (ubiquinona-oxidoredutase à succinato-desidrogenase à citocromo
C à citocromo oxidase). O fluxo de
elétrons é acompanhado pela transferência de H+ através
da membrana plasmática, tendo como produto a formação de gradiente químico e
elétrico. A membrana plasmática interna é impermeável a H+, assim os íons H+ só
podem retornar a matriz através de canais específicos de H+ (Fo). A
força próton-motriz que direciona os H+ de volta a matriz
proporciona a energia para a síntese de ATP catalisada pelo complexo F1 e
associado a Fo ( F1 e Fo fazem parte da ATP sintase) (Vídeo 1).
Vídeo 1. Fosforilação
oxidativa (Fonte: http://www.youtube.com/watch?v=md6JdC98dTU, publicado em
23/05/08 por Biocistron).
Texto Base:
NELSON, David L.;
COX, Michael M. LEHNINGER. Princípios de Bioquímica. 4. ed. São Paulo: Sarvier,
2006. 1202 p. ISBN 8573781661 (enc.)